金華冰雹天氣過程CINRAD/SB雷達(dá)特征的初探

方桃妮 邵偉軍 嚴(yán)紅梅 舒素芳

(金華市氣象局,浙江金華321000)

0 引 言

對冰雹云的早期識別,很多學(xué)者都做過探索和研究,取得了一定的成效[1-5]。我國從1998年開始進(jìn)行新一代天氣雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)后[6],新一代多普勒天氣雷達(dá)的多參量化使其能收集到云中粒子的更多信息,使人們對冰雹現(xiàn)象有了新的認(rèn)識,對冰雹云的回波特征進(jìn)行了許多有意義的總結(jié)分析[7-11],使人們對冰雹災(zāi)害更準(zhǔn)確地預(yù)報、預(yù)警逐漸成為了可能。

金華CINRDA/SB多普勒雷達(dá)是我國新一代天氣雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)中的一個站點,始建于2004年,2006年5月投入試運行,2007年投入業(yè)務(wù)使用。本文搜集了該站點2007年以來的監(jiān)測資料,對冰雹天氣進(jìn)行了診斷分析,從回波強(qiáng)度、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量、風(fēng)廓線、中氣旋、冰雹指數(shù)、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)等方面,對比只造成強(qiáng)降水對流回波,找出冰雹云區(qū)別于一般雷暴云在雷達(dá)圖像上的指標(biāo)特征,從而得出金華多普勒雷達(dá)產(chǎn)品在冰雹預(yù)警中的一些有效指標(biāo),幫助預(yù)報員在業(yè)務(wù)應(yīng)用中提高對冰雹天氣的臨近預(yù)報能力。

1 資料來源及樣本采集

本文采用的冰雹天氣個例選自金華市本級以及所轄7個縣(市)的地域,即金華、蘭溪、義烏、東陽、永康、浦江、武義、磐安等市縣,時長為2007—2008兩年。共搜集到樣本個例6個,分別為：2007年 6月 25日14：50武義坦洪(簡稱20070625)、2007年7月23日13：50—14：30金華安地(簡稱 20070723a)和 15：40 —16：00 武義(簡稱 20070723b)、2007年 7月 26日 19：20—19：50義烏上溪(簡稱 20070726)、2008年 7月 25日14：10 義烏市區(qū)東(簡稱 20080725a)和 14：30 東陽城東(簡稱20080725b)等的6次冰雹個例。

本文所引用的天氣形勢分析資料來自MICAPS系統(tǒng);大氣穩(wěn)定度分析所取資料選自本預(yù)報區(qū)臨近上游站衢州站的高空探空資料;雷達(dá)監(jiān)測及產(chǎn)品則選自金華CINRDA/SB多普勒雷達(dá)站,時長為對應(yīng)的2007—2008兩年的資料。

2 冰雹天氣環(huán)流形勢特征及不穩(wěn)定指數(shù)分析

冰雹是強(qiáng)對流發(fā)生發(fā)展的產(chǎn)物,而強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展是在大氣層結(jié)存在著條件性不穩(wěn)定和對流性不穩(wěn)定的狀態(tài)下實現(xiàn)的,不穩(wěn)定的大氣層結(jié)在一定的外力抬升作“觸發(fā)機(jī)制”時,開始轉(zhuǎn)化為強(qiáng)對流天氣。本文根據(jù)這一原理,首先對樣本的冰雹個例前一天20時500 hPa、當(dāng)天02時地面圖以及當(dāng)天08時衢州站的高空探空資料進(jìn)行冰雹天氣的環(huán)流形勢特征和不穩(wěn)定指數(shù)表現(xiàn)特點做分析。

2.1 副高位置適中,南部暖濕氣流活躍

從冰雹樣本個例看,6次冰雹天氣發(fā)生前,預(yù)報區(qū)(金華地區(qū))均處于副熱帶高壓帶邊緣,脊線位置適中,20070625,20070723a,20070723b,20070726 4次過程脊線位置均處于20°N～25°N之間,20080725a,20080725b處于588線控制但副高開始減弱南撤中。這一環(huán)流配置的特征是使預(yù)報區(qū)內(nèi)得到極強(qiáng)的暖濕氣流的輸送和補(bǔ)充。

2.2 冷氣流滲透南下成“抬升”觸發(fā)機(jī)制

6次冰雹個例顯示,冰雹天氣發(fā)生前,有高空槽發(fā)展東移(20070625個例高空槽正東移至110°E以東,槽后有落后的溫度槽配置,加強(qiáng)加深了東移的高空槽)或有冷渦發(fā)展東移(20070723a,20070723b,20070726,20080725a,20080725b個例均在河套地區(qū)有冷渦發(fā)展),從而帶動冷空氣擴(kuò)散南下,起到抬升觸發(fā)的作用。

2.3 預(yù)報區(qū)上空大氣呈強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)

利用預(yù)報區(qū)臨近的衢州高空站資料,對樣本的6個冰雹個例大氣層結(jié)穩(wěn)定度的分析,可以得知,所有發(fā)生冰雹的天氣,其高空層結(jié)均處強(qiáng)不穩(wěn)定的狀態(tài)。資料顯示,6次個例,其上空大氣 K指數(shù)均顯示≥30以上,最大的 K指數(shù)高達(dá) 40(為 20070625);而Δ θse(850-500)假相當(dāng)位溫差則均小于25 ℃,最小Δ θse(850-500)達(dá)到15.4℃(為20070625);另外,分析 SI指數(shù)同樣可以看到,6次冰雹個例,SI指數(shù)均在≤-1.8以上,最小值達(dá)到-6.2(為20080725)。分析證明了冰雹天氣的發(fā)生發(fā)展需有著大氣層結(jié)極不穩(wěn)定的環(huán)境。

3 多普勒雷達(dá)產(chǎn)品的分析

3.1 反射率因子 (R)特征

定義在距雷達(dá)100 km內(nèi)CR產(chǎn)品上首次觀測到對流回波,但強(qiáng)度≤30 dBz、面積≤5 km×5 km的回波為初始回波。

利用雷達(dá)產(chǎn)品資料中的各仰角反射率因子(R)、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)(SS)分析初始回波強(qiáng)度及所在高度,45 dBz回波的出現(xiàn)時間及所在高度,回波核強(qiáng)度和所在高度及突增等情況,可得到所述6次冰雹樣本回波發(fā)展的實況,詳見表1。

表1 金華2007—2008年冰雹過程冰雹云各產(chǎn)品回波情況

從表1可以看出,冰雹個例的初始回波強(qiáng)度均在20～30 dBz,初始回波的高度在4.5～6.0 km;45 dBz的回波一般出現(xiàn)在初始回波下一個體掃,高度在5～7 km,高出金華市6,7,8月份平均0℃等溫層高度2～3 km,此狀態(tài)十分有利于冰雹的醞釀生長;之后對流向上向下共同發(fā)展,成熟階段云底1.5～2.0 km,云頂超過對流層頂,回波核強(qiáng)度58～65 dBz,最大達(dá)到70 dBz以上(為20070723b),這時回波核高度與初始回波形成時高度尚未發(fā)生明顯變化,在5～7 km;在降雹前10～20 min(大概2～3個體掃時間左右),回波核高度有一個突增的現(xiàn)象,突增高度超過-20℃等溫層高度,直至降雹時回波核高度又發(fā)生突降,降雹結(jié)束,回到初始高度左右。然而,從幾個樣本個例同期的強(qiáng)降水回波分析看,其初始強(qiáng)度一般在15～25 dBz左右,極個別可有達(dá)到30 dBz的,但增強(qiáng)速率較冰雹云明顯緩和,且初始回波高度在3～5 km,要低于冰雹回波的高度;當(dāng)回波核強(qiáng)度在45～55 dBz之間時,回波核高度在3～5 km,且較穩(wěn)定維持,也不會出現(xiàn)高度的躍增現(xiàn)象。圖1是個例20070625與同日的暴雨回波的回波核高度演變情況的比較圖,清晰顯示出冰雹云與暴雨云回波核高度演變中初始高度和躍增現(xiàn)象的差異。

分析證明,冰雹云的初始回波高度、回波核強(qiáng)度高度及回波核的躍增等的特征,對冰雹的預(yù)報有著較好的指示作用,回波核所處的高度越高,突增高度和幅度越大,雹云發(fā)展就越強(qiáng)烈,下大冰雹的可能性越大。如果強(qiáng)對流云的初始回波相對較弱,發(fā)展后的回波核高度較低,并沒有明顯高度躍增現(xiàn)象時,則發(fā)生冰雹的可能性大大減小,一般僅發(fā)生降水為主。

圖1 20070625冰雹云與當(dāng)日暴雨云回波核的高度演變對比圖

3.2 垂直積分液態(tài)水含量(VIL)特征

垂直積分液態(tài)水含量(VIL)是將雷達(dá)體積掃描資料中各層雷達(dá)反射率因子在其對應(yīng)高度上進(jìn)行整層積分所得,它在強(qiáng)對流天氣識別業(yè)務(wù)中得到廣泛的應(yīng)用[12-15]。6次冰雹個例的VIL分析可知,冰雹天氣出現(xiàn)時,VIL都達(dá)到了60 kg·m-2以上 ,最大達(dá)到 75 kg·m-2且高值維持時間較長。在冰雹云初始回波觀測到之后的第3個體掃,VIL值會出現(xiàn)持續(xù)的15～25 kg·m-2幅度地躍增,并能持續(xù)出現(xiàn)15～30 kg·m-2幅度的躍增。而從幾個個例同期的強(qiáng)降水回波看,其 VIL值都不很高,一般為10～35 kg·m-2,僅個別達(dá)到55 kg·m-2,但維持時間較短,一般只為一個體掃,而且不會發(fā)生VIL值的躍增。如圖2顯示了個例20070625與20070625暴雨回波的VIL值演變與躍增情況的差異。

圖2 20070625冰雹云與20070625暴雨云VIL的演變對比圖

可見,用VIL的變化特征來識別冰雹云回波可以提高準(zhǔn)確率。

3.3 回波頂高 (ET)特征

大量研究和觀測表明,回波頂高本身對對流風(fēng)暴強(qiáng)弱的指示作用雖然并不十分明顯,但把回波頂與低層反射率因子回波強(qiáng)弱分布的位置相結(jié)合進(jìn)行分析,卻可以得到其對對流風(fēng)暴強(qiáng)弱有較好的指示性。6個冰雹樣本個例分析顯示,冰雹云回波高度均≥14 km,最大達(dá)到18 km以上(為20070723a,20070723b),同期暴雨云回波一般在9～16 km,較多的也在14 km以上,所以光看回波頂高,確實較難分辨是否為冰雹云回波。但對6次樣本個例的不同仰角的回波特征分析可得,20070625,20070723a,20070723b,20070726回波頂高的最大值基本與高仰角回波中心重疊或相近,處在下層低仰角的反射率因子梯度較大一側(cè)(即弱回波區(qū)或入流一側(cè)),可見風(fēng)暴有一個強(qiáng)的上升氣流。

另外,20080725a,20080725b兩次過程,頂高中心與高中低層的反射率因子基本重合,但從各層回波輪廓看,反射率因子在入流一側(cè)有明顯梯度,顯示了入流強(qiáng)度也很強(qiáng)。

綜上所述,對回波頂結(jié)合各層反射率因子回波強(qiáng)弱分布的綜合分析,可預(yù)示風(fēng)暴發(fā)展的強(qiáng)烈程度,在冰雹預(yù)報業(yè)務(wù)中有一定的利用價值。

3.4 冰雹指數(shù) (HI)特征

冰雹指數(shù) (HI)產(chǎn)品是警示風(fēng)暴單體是否可能產(chǎn)生冰雹的一個指標(biāo),較多的教科書中提示,當(dāng)有空心綠三角出現(xiàn),預(yù)示單體有可能降雹;當(dāng)有實心綠三角出現(xiàn),則有較大可能性降雹。對 6次樣本個例的實例分析,其中20070625,20070723a,20070723b,20070726,20080725a在回波發(fā)展過程中均出現(xiàn)了實心綠三角,并維持直到回波減弱后消失,僅20080725b沒有實心綠三角的情況出現(xiàn)。由此可知,HI產(chǎn)品在本預(yù)報區(qū)冰雹預(yù)報中有較好的指示意義,特別是在出現(xiàn)實心綠三角時,預(yù)報員應(yīng)引起足夠的重視。

4 結(jié) 語

(1)發(fā)生冰雹的大氣層結(jié)處于極不穩(wěn)定態(tài),本預(yù)報區(qū)均處于副高北緣,暖濕氣流強(qiáng)盛,北面則有高空冷槽或冷渦在發(fā)展并東移。

(2)本預(yù)報區(qū)冰雹初始回波強(qiáng)度在30 dBz左右,初始回波高度在4.5～6.0 km;45 dBz回波一般出現(xiàn)在初始回波下一個體掃,高度在4.5～7.0 km;回波核高度與初始回波高度相近,在降雹前10～20 min(即2～3個體掃)有一個約3 km的躍增,并且回波核高度越高,躍增幅度越大,降大冰雹的可能性越大。強(qiáng)降水風(fēng)暴初始回波出現(xiàn)高度3～5 km,回波核高度也在3～5 km,不會出現(xiàn)回波核的躍增現(xiàn)象。

(3)冰雹云回波高中低層反射率因子在入流方向有明顯梯度,云頂與高層強(qiáng)回波中心重疊或相近,傾前于低層強(qiáng)回波中心,位于低層反射率因子梯度較大一側(cè)。

(4)冰雹云回波 VIL值達(dá)到 60～75 kg·m-2,在初始回波生成后3個體掃均有一個持續(xù)的15～25 kg·m-2幅度的躍增,降雹前2～4個體掃躍增到高值并維持較長時間;單純強(qiáng)降水回波 VIL值在10～35 kg·m-2之間,個別可達(dá)55 kg·m-2,但一般以 5 kg·m-2為級逐級增減且維持時間很短,不會出現(xiàn)躍增現(xiàn)象。

(5)冰雹指數(shù)產(chǎn)品具有較好的降雹預(yù)示意義,特別是在出現(xiàn)實心綠三角時,應(yīng)引起高度警覺。

(6)由于多普勒雷達(dá)在金華建站時間短,獲取的有效冰雹個例資料有限,本文的分析結(jié)論有待于在今后業(yè)務(wù)工作中進(jìn)一步完善。

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